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柴油机热电联产系统的第一、第二定律分析
Aysegul Abusoglu, Mehmet Kanoglu *
Department of Mechanical Engineering, University of Gaziantep, 27310 Gaziantep, Turkey
文章信息
文章历史:
2007年7月9日收到
2008年2月25日被接受
2008年4月8日可以被使用
关键词:能源 (火用) 经济 劳动经济 柴油热电联产
摘要：在本文中，对现有柴油机热电联产系统进行了热力学分析。 所有必要的数据均来自位于土耳其加济安泰普的实际柴油机热电联产厂。 火用分析的目的是评估每个组件的火用破坏以及火用效率。 分析了满负荷条件下25.32 MW电力和8.1吨/小时蒸汽容量柴油机热电联产系统的热力学性能。 整个工厂的热效率为44.2％，热效率为40.7％。 本文开发的火用平衡方程还可以用于能效经济分析中，根据柴油热电联产系统中的各种投入成本估算生产成本。
- 介绍
热电联产可定义为从单一燃料来源同时产生电能和热能的热力系统。 对于同时需要两种能源的工业和家庭应用，这被证明是一种非常有效的节能系统[1]。 与常规发电相反，由于通过热回收获得的效率提高，通常将其描述为一种节能过程，在这种实践中，要消耗一个以上的一次能源以满足加工厂的能源需求。 向加工厂提供必要能量的常见方式是从公用电网购买电能并产生所需的热能。 通过这种方式，热电联产可以被认为是一种多样化的能源生产方式[2]。
往复式发动机主要用于中低功率热电联产机组。 下限和上限通常是所用燃料的函数。 对于天然气，这些范围可以从50 kW到10 MW，对于柴油，范围可以从50 kW到50 MW，对于重质燃料油，范围可以从2.5 MW到50 MW。
往复式发动机的主要优点之一是与其他原动机相比，其电效率更高。 往复式发动机的可用废热有四种来源：废气，发动机套冷却水，润滑油冷却水和涡轮增压器冷却。 柴油热电联产厂的废气代表了大量的热能，传统上一直用于热电联产应用程序。 在环境温度较高的地区，利用废热来促进室内气候控制或提高原发机组的性能可能更合适[3]。
回收的热量通常以热水或低压蒸汽（约2巴）的形式存在。 高温废气可产生中压蒸汽（约10 bar），但热废气仅包含来自往复运动能量的可用热能的约一半。 通常，往复式发动机热电联产系统产生的热水和低压蒸汽适用于低温工艺需求，空间加热，饮用水加热，并驱动提供冷功率，空调或制冷的吸收式制冷机。
压缩点火柴油机是市场上最高效的单循环发电选择之一。 效率水平随发动机尺寸的增加而增加，范围从小型高速柴油机的约30％到大型内径低速发动机的42-48％。 预期在不久的将来效率可以提高到52％[4]。 根据提出的研究，柴油发动机比燃气涡轮机具有更高的效率，因为它们具有更高的电气性能，其中最重要的参数是在热电联产方案中产生的电力[5]。 柴油热电联产中使用的柴油和重油的一个严重问题是硫含量高，如果考虑到柴油发动机热电联产中除硫的高成本，情况会变得更糟[6]。
在目前的工作中，第一定律和第二定律分析在加济安泰普的实际柴油热电联产系统中进行了介绍。 这项研究的结果将用于热经济性能分析和柴油热电联产系统的优化。 这是土耳其的第一项研究，因为在像加济安泰普这样没有天然气的地区，柴油热电联产是更可取的。 这些结果应为这些电源系统的性能评估提供一个现实而有意义的基础，这可能对类似系统的分析很有用。
- 能量和火用分析公式
可以连续运行的设备（例如涡轮机，泵，锅炉，冷凝器和柴油机发电厂的热交换器）可以非常接近稳态流量条件。 一旦完成了瞬态启动周期并建立了稳定的运行，下面的控制方程就可以用于这些和类似的设备[7-9]。 具有多个入口和出口的一般稳态流系统的质量原理守恒可以表示为速率形式为
（1）
下标i代表入口，e代表出口。 稳态下任何控制量的动量和势能变化都可以忽略不计的能量方程守恒和火用平衡可以分别表示为
（2）
（3）
其中和是净热量和功输入，是流体流的质量流率，h是焓，是（火用）破坏率，是在温度T下热量通过热的净转移 ，由
(4)
特定的流量火用和总火用率由下式给出
（5）
（6）
下标0代表受限死区，为死区温度
电力系统的热力学分析通常包括评估系统组件的各个性能。 在以柴油机为动力的热电联产系统中，涡轮机，压缩机和热交换器是所用的组件。 绝热涡轮机和压缩机的等熵效率分别为
（7）
（8）
其中和分别是实际工程和等熵工程。 绝热涡轮的第二定律（火用）效率可以定义为衡量流体的火用火能转化为轴功输出的程度的一种度量[8]
（9）
是可逆功，是实际功和不可逆性（即火用破坏）的总和。 压缩机的第二律效率的定义类似但与之相反
（10）
在这种情况下，可逆功是实际功与火用破坏之间的差。 电厂中热交换器的第二定律效率是通过将冷流的热能增加，除以热流的热能减少来衡量的。 那是，
（11）
其中和分别是冷流和热流的质量流率。
柴油发动机的热效率定义为发动机产生的净功率与提供给发动机的热量输入率之比，并表示为
(12)
其中是输入到发动机的燃料比率，而是燃料的较低热值。 注意，在内燃机分析中，由于排气中的水状态通常为蒸气，因此，热值的选择是燃料的较低热值。 对于整个柴油热电联产系统，有用的输出为电和过程热，通常为饱和蒸汽形式。 然后，可以将该热电联产系统的利用效率定义为
(13)
其中是热电联产厂中使用的过程热量的比率，该比率等于水的质量流率乘以蒸汽生产单元中的焓变。 柴油发动机的火用效率（即第二定律效率）可以表示为
（14）
同样，整个柴油热电联产系统的能效可以表示为
（15）
其中，是燃料的火用，是过程热的火用率，它等于蒸汽生产单元中水的火用增加。
Brzustowski和Brena [10]研究了碳氢化合物同源系列的比。 他们在分析中得出结论，燃料火用和较低热值之间的比例常数由下式给出：
(16)
在柴油热电联产系统中，最常用的燃料是重质燃料油，在许多情况下化学成分尚不确定。 而且，这种燃料的组成可以从一个特定的应用到另一个特定的应用而变化。 等式的（16）作者得出的结论是，该方程适用于组成不确定的重质烃。 因此，在获得较低的燃料热值之后，我们可以使用该方程式获得柴油热电联产机组中使用的重烃的燃料火用。
电力系统的详细火用分析应包括计算每个组件的火用破坏，并将其与燃料的火用以及系统中的总火用破坏联系起来。 可以使用等式（3）获得部件在稳定流量下的火用破坏, 也可以根据
（17）
其中是组件中熵生成的速率。 可以将系统中第k个组件的火用破坏率与提供给整个系统的燃料的火用率进行比较，如下所示：
（18）
或者，可以将组件的火用破坏率与系统内的总火用破坏率进行比较，如下所示：
（19）
两个火用破坏率对于整个系统各个组成部分之间的比较很有用。
- 柴油机供热的热电厂运行
本文分析的柴油机热电联产厂（SANKO Energy）的总装机发电量和蒸汽发电量分别为25.32 MW和8.1吨/小时。 该工厂位于土耳其东南部的第三有组织工业区加济安泰普市，该工厂于2002年开始生产电力和蒸汽。电力由三台柴油发动机驱动的发电机组产生，每台发电机组具有两个涡轮增压器。 图1中显示了该工厂用于一个发动机组的示意图，其中仅展示了一个涡轮增压器。 该发动机是V型配置的18缸四冲程压缩点火发动机。 重质燃油被用作发动机燃料。 在设计运行条件下，允许的年发电量为217 GW h，年燃料消耗量将近45,000吨。
在此过程中，如图1所示，由柴油机驱动的发电机组发电。发动机启动时，空气会充入涡轮增压器单元的压缩机。涡轮增压器由两台机器组成，分别是涡轮机和压缩机，它们安装在同一根轴上。通过柴油机的运行获得的轴功率被传递到发电机进行发电。废气通过涡轮增压器单元的涡轮机流出发动机，以产生压缩机所需的轴功。在空气进入发动机气缸之前，离开压缩机的空气在中间冷却器中被水冷却。离开涡轮机的废气进入废气锅炉单元，将热量传递给给水，以产生蒸汽，用于工厂中的制造设施，以及每天对辅助设备（如燃料转发模块（FFM）和燃油）中的流进行预热用药箱（FDT）。这是为了降低燃料的粘度。离开锅炉的废气被送至DeSOx（脱硫）装置，在该装置中，SOx排放降低到可接受的法定值。最后，在脱硫装置之后，废气被释放到大气中。工厂中使用的水由收集器分配到废气锅炉，空气-水散热器（AWR）和烟气处理单元。来自AWR的高温水（HT）和低温水（LT）首先进入中间冷却器（IC），以冷却压缩空气，然后再进入发动机。来自中间冷却器的高温水通过柴油机进入发动机罩的冷却应用，而来自中间冷却器的低温水进入机油冷却器（LOC）来冷却来自发动机的润滑油，然后两种未混合的水返回到空气中–散热器单元。机油用于润滑和冷却发动机部件。热电联产系统中使用的燃料存储在日用罐中，并在进入燃料转发模块之前被蒸汽预热。最后，它通过燃油输送模块中的喷嘴注入发动机气缸。表1列出了根据图1的命名法对热电联产工厂的温度，压力和质量流率数据以及火用评估。
- 结果与讨论
通过使用等式（16）中解释的方法。 具有未知组成的高分子量燃料的化学能级可取为燃料较低热值的1.065倍。 然后，考虑到该热电联产厂的三个发动机系统，燃料的总火用输入为62,757 kW。
本文对柴油机热电联产系统进行了火用分析，将火用效率作为评价热力性能的参数。火用效率从热力学角度对能量系统的性能提供了一个真实的度量。在定义火用效率时，必须同时确定要分析的热电联产系统的产品和燃料。产品表示由组件或系统产生的期望结果。燃料代表生产产品所消耗的资源。产品和燃料均以火用形式表示，现有柴油机热电联产系统各部件的燃料火用和产品火用的定义见表2[11]。
表3显示，进入工厂的火用功率中有40.35％被转换为电力，而该功率的5％用于工厂中的寄生负载，这仅仅是通过驱动工厂中辅助组件来使用发动机功率。 该工厂的净蒸汽产量占总火用投入的0.4％。
火用投入的剩余59.65％损失了。 这相当于37340.4 kW，这是工厂中的总不可逆性。 根据方程式(15)工厂的有效效率为40.72％。 热电联产厂柴油机的总火用销毁几乎占总火用投入的46.0％，占总火用销毁的83.32％。 图2通过使用表3中的值给出了柴油发动机驱动的热电联产系统各组件的火用破坏率与总燃料火用输入和净发电量的比较。
发动机中的总火用破坏主要是由于发动机中高度不可逆的燃烧过程，发动机产生的热量损失和摩擦。
涡轮增压器的压缩机和涡轮的能效分别为82.56％和88.10％。这些相当高的值表明涡轮增压器的性能处于理想水平。废热锅炉和冷凝器的能效分别计算为11.43％和16.57％，这使它们成为电厂效率最低的组件。这是由于与废热锅炉中的废气相比，冷凝器中各物流之间的平均温差高，并且饱和蒸汽的质量流率也相对较低。工厂中第三低效率的组件是中冷器，其有效效率为26.33％。火力发电厂中的这种热交换单元的破坏主要是由于在两个未混合流之间的高平均温差上的热传递。从表3中可以看出，与润滑油冷却器相关的火用损失百分比非常低。这是由于使用低温水在润滑油冷却器中冷却润滑油的缘故，该低温水在所需条件下很容易获得[8]。
整个热电联产厂的利用率为44.2％。 与仅用于发电的发电厂的热效率相比，这是非常高的，它们的效率在30％到50％之间[12]。 在柴油机热电联产工厂中，主要产品是电力，而蒸汽可称为“副产品”。 发动机的废气主要用于两个部分。 它用于涡轮增压器的涡轮中，以产生动力来驱动压缩机，并在锅炉中用于为工厂的生产设施和辅助设备生产蒸汽。
在整个工厂的能源效率方面，唯一的输入火用被视为燃料的化学火用。 与燃料的火用相比，废热锅炉入口处的新鲜处理水的火用很小。
- 结论
本文介绍的实际柴油机热电联产系统的详细热力学分析非常适合于进一步实现更有效地利用能源的目标，因为它可以确定废物的位置，原因和真实数量。 此类信息可用于设计新的节能系统并提高现有系统的效率。 这种详细的分析提供了一个强大而系统的工具，可用于确定所有成本来源并优化以柴油机为动力的热电联产系统的设计。
参考文献
[1] Oh SD, Pang HS, Kim SM, Kwak HY. Exergy analysis for a gas turbine cogeneration system. J Eng Gas Turb Power 1996;118:782–91.
[2] Costa MHA, Balestieri JAP. Comparative study of cogeneration systems in a chemical industry. Appl Therm Eng 2001;21:523–33.
[3] Agnew B, Talbi M, Mostafavi M. Combined power and cooling, an analysis of the combined diesel absorption cycle. Appl Therm Eng 1999;19:1097–105.
[4] Energy
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